預制裝配式橋梁下部結構方案研究

張浩，楊洋 ，方正東

（1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088 2.交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

1 項目背景

預制裝配式橋梁，是將混凝土橋梁上、下部主要構件在預制場或工廠預制，然后現(xiàn)場拼裝的一種橋梁。相對傳統(tǒng)施工工藝，裝配式橋梁的優(yōu)點是可以降低施工干擾、縮短工期、降低成本、提高工程質量。相對于橋梁上部結構工業(yè)化，安徽省高速公路下部結構工業(yè)化預制技術尚處實踐階段。

G3W德州至上饒高速公路合肥至樅陽段裝配化橋梁上部結構初步設計方案采用15m、20m、25m跨徑簡支預制工字梁橋和4x35m跨徑連續(xù)鋼板組合梁橋。本文以上部結構采用25m跨徑簡支預制工字梁橋為研究對象，提出相應的預制裝配式橋梁下部結構設計方案。

圖1 跨中橫斷面圖（mm）

2 裝配式橋梁下部結構國內(nèi)外調(diào)研情況

2.1 預制裝配式蓋梁

橋梁墩臺蓋梁的預制拼裝是整體預制的關鍵環(huán)節(jié)，也起著承上啟下的關鍵作用。

國內(nèi)目前主要在市政工程中應用了預制蓋梁技術，如上海S6、虹梅南路、北橫通道及嘉閔高架（北段）等工程。上海S6公路上部30m先簡支后連續(xù)小箱梁，墩柱與蓋梁間連接方式采用灌漿金屬波紋管，墩身與蓋梁接觸面采用砂漿墊層。

美國加州（Ca）對預制蓋梁體系的不同連接方式的結構性能和長期性能進行了研究。影響預制蓋梁體系性能和安全的關鍵因素是連接型式。對預制蓋梁體系，目前研究的重點主要集中在連接型式的結構性能和長期性能以及施工研究等。常用的連接型式包括：①灌漿槽（grouted pocket）；②灌漿管 (groutduct)；③灌漿套筒聯(lián)軸器(grouted sleeve coupler)；④螺栓連接 (bolted connection)。

2.2 預制裝配式橋墩

裝配式橋墩施工方便，施工周期短，同時降低了橋梁施工對周圍居民生活和環(huán)境影響等諸多有利因素，在歐美、日本等發(fā)達國家被廣泛使用，并形成了設計和施工相應的準則。

國外對裝配式預制橋墩進行過很多試驗研究，如在1997年Mander和Chen試驗和研究了節(jié)段裝配式橋墩。節(jié)段間的連接方式采用干接縫，研究的結果顯示：在強震作用下橋墩，能夠迅速地恢復變形，但在地震后采用該連接方式的橋墩應檢查墩中預應力筋的預應力大小，根據(jù)需要對預應力進行更換或重新張拉。

我國裝配式橋墩研究和使用較晚，近年來裝配式橋墩得到了廣泛的研究和使用。國內(nèi)主要針對大橋及特大橋進行過研究，但主要是進行靜力研究，抗震方面的研究較少。蘇強等 (2013)從研究背景、材料性能、連接構造、粘結應力研究及預制拼裝立柱抗震試驗等方面介紹了在預制橋墩中灌漿套筒式鋼筋連接技術的試驗研究情況。我國首次采用預制承臺和橋墩連接的項目-新澳凼大橋。杭州灣跨海大橋首次使用預制矩形空心墩，分為墩帽和墩身兩部分進行預制。

2.3 預制裝配式承臺

預制裝配式承臺能夠將現(xiàn)場大量的水上澆筑工作改為工廠預制，減小了施工難度，加快施工進度同時可以提高基礎的耐久性。國外對于預制基礎的研究主要用于跨海大橋中，日本、加拿大、挪威等國家的跨海大橋項目中均得到了應用。其中加拿大1993年動工，1997年完工通車的諾森伯蘭海峽大橋，支承在巖層的重力式基礎，墩身及預應力混凝土主梁均采用預制構件施工?；A及橋墩分為開預制，吊裝重量在3000～5500t之間，為便于基礎和墩身密合，基礎頂制作成錐形平臺。墩身與墩座間的連接部分設置剪力鍵、U形預應力鋼索及高強度壓漿。美國紐約The NEW NY Bridge大橋大量采用預制構件，引橋采用長跨鋼板梁，主橋采用組合結構斜拉橋，采用預制承臺，樁基礎選用鋼開口樁。

確定最佳瀝青用量。取目標配合比設計的最佳瀝青用量OAC和OAC±0.3%，取以上計算的礦質混合料，用試驗室的小型拌和機拌制瀝青混合料進行旋轉壓實試驗，檢驗瀝青混合料體積性質，確定最佳瀝青用量。由生產(chǎn)配合比確定的最佳瀝青使用量與由目標配合比確定的最佳瀝青使用量，兩者之間的差異應在0.2個百分點以內(nèi)。

2.4 預制管樁

混凝土樁的研究、生產(chǎn)及使用較多的國家主要有美國、德國、俄羅斯、英國、日本、加拿大、荷蘭、新西蘭等國家。從80年代末起，中國、馬來西亞、菲律賓等發(fā)展中國家對預應力混凝土管樁的應用也開始普及。

廣東省是我國管樁廠最多、使用管樁最多也最為普遍的省份，廣東省建委早在1991年便組織制定了省標并將預應力混凝土管樁編入在《建筑地基基礎施工及驗收規(guī)程》（DBJ15-201-91）內(nèi)。我國安徽省PHC管樁在高速公路上已有了較為廣泛的應用，從徐明高速開始進行了PHC管樁的試驗性應用，并開展了《橋梁預制管樁基礎設計理論及應用技術研究》的研究。濟祁高速淮南至合肥段淮河特大橋引橋鋼板組合梁結構，下部結構均采用了打入式PHC管樁，管樁總長度約84000m。

3 裝配式橋梁下部結構設計方案

根據(jù)上部結構設計方案，提出兩種針對不同橋墩高度的裝配式橋梁下部結構設計方案。本文所提出的裝配式橋梁下部結構設計方案核心關鍵技術在于：

①預制橋墩與預制蓋梁連接裝置受力安全性和考慮施工的冗余度；

②預制橋墩和預制承臺連接裝置受力安全性和考慮施工的冗余度；

③對于墩高大于15m的預制橋墩，需要通過特有連接裝置拼接，拼接裝置的靜力性能和抗震性能尤為關鍵；

3.1 方案介紹

方案一：該方案適用于采用預制承臺、墩高小于14m，上部結構為25m簡支工字梁的下部結構。

方案二：該方案適用于采用預制承臺、墩高為14m～25m，上部結構為25m簡支工字梁的下部結構。

方案一與方案二所采用預制結構尺寸及適用范圍見表1。

裝配式橋梁下部結構參數(shù) 表1

方案一與方案二結構采用主要材料見表2。

結構主要材料參數(shù) 表2

3.2 關鍵連接設計

3.2.1 預制墩與蓋梁之間連接

在預制蓋梁內(nèi)鍍鋅波紋管，直徑為60mm，橋墩主筋伸入預埋波紋管內(nèi)55cm，波紋管內(nèi)灌注高強砂漿形成連接。

3.2.2 預制墩之間連接

預制墩之間通過法蘭連接（如圖2所示）。

圖2 法蘭裝置示意圖

3.2.3 預制墩與承臺之間連接

完成預制管樁施工后，澆筑C30混凝土墊層，完成承臺預制部分與預制管樁精確對孔安裝后，將預制橋墩準確安放在預制承臺上，在澆筑C40混凝土完成連接。

3.2.4 預制墩之間橫向連接

預制墩橫向通過直徑為30cm，壁厚為10mm的鋼管連接。

4 結構靜力驗算

針對方案一進行靜力驗算，計算荷載主要考慮了自重、二期鋪裝、溫度荷載作用以及汽車荷載等作用。其中，整體升、降溫按±20℃考慮；梯度溫度及制動力根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）規(guī)定取值；汽車荷載則考慮3車道下的車道荷載。計算結果見表3。

方案一靜力驗算 表3

5 結論

本文對目前國內(nèi)外裝配式橋梁下部結構研究情況進行了總結，結合G3W德州至上饒高速公路合肥至樅陽段裝配化橋梁上部結構初步設計方案，提出適應于不同墩高的兩種預制裝配式橋梁下部結構設計方案，并對結構進行了相關結構驗算分析。